核电厂流量测量问题处理

全 胜

（中核检修有限公司，连云港222000）

随着现代大型工业生产自动化不断兴起和过程控制要求的日益复杂，对现场设备安全及稳定输出要求越来越高，流量测量是生产过程监视和控制的重要参数，常用于表征被测对象的出力，重要压力容器液位调节的前馈变量，以及密封装置泄漏量的监测等[1]。常规的流量测量方法有：孔板、喷嘴及文丘里管等。重复性和趋势稳定性是流量测量的目标。

电站的流量测量方式多种多样，用途广泛，主要是监测泵的出力情况；工艺系统流量分配，如冷却水系统流量监测用于不同用户的流量分配调节；参数调节，如上充、下泄流量是用于一回路冷却剂体积的控制，同样主给水流量及主蒸汽流量则用于蒸汽发生器的液位控制等。

参与调节和表征出力的流量测量的一次元件（节流装置）的精度要求不低于2%，基本上全部采用标准孔板测量。一些重要的密封装置的泄漏量，如主冷却剂泵的密封轴瓦的泄漏量检测等，需要检测的是变化趋势，测量方式则兼顾两相流类流体介质。

调试过程中，发现一些原设计的流量测量存在一定问题，主要集中在安全系统和重要用户冷却水流量测量系统。通过与设计方人员的共同探讨、分析和试验验证，进行局部参数调整和一次元件的替换等处理，满足工艺系统要求。

1 主要问题

在流量测量发现的主要问题有：设计问题，主要集中在孔板计算错误导致量程不足；根阀选型和安装不合理造成取压管口断裂；角接取压存在堵塞的测量隐患；测量孔板安装位置不合理导致测量不准以及管道振动对稳定测量的影响几个方面。

1.1 设计问题

电站给水流量测量（KKS 编码为LAB10/20/30/40CF811/821/831/841）采用“一拖四”的设计，如图1所示，即一套孔板通过仪表测量管道连接了4 台流量变送器。这样的设计方式弊端较多，首先，仪表管任何一处发生堵塞、泄漏等故障，直接导致其它3台流量变送器无法正常工作；其次，变送器正常运行时，有一台流量变送器的平衡阀发生内漏问题，必然会引起同一管线安装的另外3 台流量计也无法正常工作，从而导致相关保护动作。同时，这种设计也给仪表的正常校验、维护和故障处理带来极大风险。而且，这样的设计方式只实现了仪表信号的冗余，并没有真正实现流量测量通道的冗余和隔离，应改成4 个独立的流量测量回路。

图1 给水系统“一拖四”设计示意图Fig.1 Design diagram of “one drag and four”water supply system

1.2 根阀选型和安装不合理

现场调试发现安全壳喷淋变送器根阀与工艺管道连接管被拉断。由于根阀设计布置的原则是尽量靠近被测介质流过的管段取压口或被测介质冷凝罐壁的取压口，确保仪表测量管线破裂后的隔离，电站的根阀安装遵循这一原则。

现场大量采用俄罗斯供货的根阀有3 种，重量分别为11.8 kg，8.6 kg 和6.3 kg，阀门本身相对脉冲管线较重，现场安装都用支架进行固定。因根阀与工艺管道的连接管道较短，工艺管道运行时振动造成脉冲管道疲劳而断裂，后采用在根阀和工艺管道之间用膨胀弯管道连接，对于根阀较轻的取消固定支架。

1.3 环室取压存在的隐患

在用角接取压法测量含硼介质的流量时，因仪表根阀、仪表管、阀组和变送器工作环境温度是常温，在含硼水进入测量系统后由于温度低于硼结晶温度，必然造成硼的析出并产生结晶，引起仪表根阀、仪表管与阀组的堵塞，影响流量的测量。此外，部分安全系统停运后，安装孔板的管段未充满介质，在对其检修时，势必会造成孔板处硼晶体析出，影响环室狭缝的取压阻尼。

用于“三废”系统的部分流量测量系统，因测量介质含有杂质，当其进入流量测量系统很容易造成仪表测量管道及阀门的堵塞，造成流量系统无法正常工作。

1.4 安全系统流量测量的主要问题

安全系统流量问题主要有3 个方面：

（1）设计量程错误，产生大量的验证工作和相应的设计变更。仪控主要是负责变送器的调整，包括差压值调整，或变送器更换采购，以及重新设计所需配合的计算和验证工作。

（2）工艺管线振动和循环管线孔板位置安装不合适，定期试验期间，循环试验管线内介质发生汽化，引起测量波动和不稳定，导致定期试验不合格。解决办法主要是从工艺设备和管线着手改善。

（3）现场调试发现中压安注和安全壳喷淋等流量波动大。起初分析为内部压头波动较大，故将所对应的变送器阻尼时间（Damping time）在1～5 s 的范围内进行调整试验，通过试验仍无法消除流量的上下波动。多次查找后，对中压安注和安全壳喷淋系统管线进行测振试验时，确认流量波动大的根本原因是管线振动大造成的，而且是管道振动越强烈流量波动越大。解决流量波动大的根本办法是根治管线的剧烈振动问题，从而为流量测量创造一个正常的工作环境，这也是用孔板作为标准节流装置测量流量的基本技术要求。

1.5 小流量切除

标准孔板和变送器组成的流量测量系统，是通过流体介质流过标准孔板在孔板前后产生的差压，并且变送器开方后显示相应的流量值。理论上流体停止流动孔板前后差压为0，流量显示为0，但由于孔板安装及工艺等原因，流体停止流动孔板前后也会产生微小的差压，而由于变送器的输出和差压成平方根关系，尤其是在小差压低流量量程段，微小的差压就会引起很大的流量波动，这是由于开方特性决定的。举例说明差压与流量在量程低段的对应关系，如表1所示。

表1 差压与流量对应关系Tab.1 Relationship between differential pressure and flow

孔板差压量程为0～100 kPa，对应流量量程为0～100 kg/s。当系统停运时在孔板前后产生1 kPa 的微小差压，由于差压与流量成开方关系，差压1/100开方后是流量的1/10，即1 kPa 的微小差压对应的流量是10 kg/s。为了克服小差压对流量测量的影响，利用智能变送器内置的小流量切除功能。由于流量测量趋势的重要性和流量显示的准确范围在30%～70%之间，调试时根据现场实际情况，对流量变送器设置小于10%的小信号切除。

2 解决办法

2.1 管道振动

管道振动的主要原因是由于泵、管道、阀门等都安装在狭小的房间内，加上工艺管道设计布置不合理，弯头、阀门等节流件较多，以及支吊架设计不合理造成的。避免振动影响的办法是合理布置工艺管道，减少弯头，增加直管段的距离。但对于已建电厂显然比较困难，因此是逐步改造的过程。

2.2 管线节流装置

喷淋泵定期试验流量循环期间，由于流量低、波动大多次试验不成功。其根本原因是在部分泵，如应急补水和安全壳喷淋泵的小流量循环管线，在测量孔板前受节流设备的影响，在定期试验中因介质汽化造成小流量和雷诺数变化，从而导致测量波动[2]。解决的办法是移动测量孔板增加节流级数，提高流量的稳定性。

2.3 环室取压测量

解决环室取压测量存在问题的方法是改变设计，即改变取压方式[3]。但对于已建电站，会引起大量的设计变更，并需要试验验证，此方法显然是不切实际的。鉴于存在的测量问题，可以采用湿吹扫的办法，即在工艺管线退出运行前，对安装孔板管线段立即进行吹扫。具体过程：在管线的介质刚断流不久，用除盐水向节流件对象连续冲洗，使有腐蚀性、粘稠性、结晶性、熔融性及沉淀性等介质不停留在孔板环室内部以及仪表测量部件中，达到保护仪表和节流装置的目的。

预防性维修期间，当在孔板对空后立即实施湿态吹扫和预防性湿态吹扫，是降低常温布置的含硼管线测量孔板堵塞风险最有效的办法。

3 其它测量方式的经验数据

关于风量和饱和蒸汽流量测量还有一些经验数据可以借鉴，如皮托管测量暖通（HVAC）系统风量测量，风量60000 m3/h，管内压力100 kPa 下，对应节流差压一般在1.5 kPa 以内。主蒸汽流量为饱和蒸汽，对应6.27 mPa，278 ℃，1600 t/h 的差压为100 kPa左右，与风量测量相差很大。

在介质成分比较复杂的流体中，如“三废”系统包含来自地坑的废弃介质，含固体泥砂介质等，测量装置可选择用电磁流量计，即使这样，表计也无法稳定工作。

利用设备固有的节流装置，通过变工况下的参数标定，获得节流压力和流量的对应关系，如在电站中主蒸汽流量测量，是一种很好的工程案例。

此外，冷冻机冷却水流量测量还采用了超声波测量方式，该测量方式现场无法标定，流量信号参与冷冻机保护只能依靠其稳定性和重复性好的特点。

4 结语

流量测量孔板安装管线的振动问题和环室角接取压是目前核电厂流量测量的最大问题，其中振动问题对流量测量准确性的影响是变化的。通过改善管线的布置，降低振动，可以提高准确度。

通过本文对上述这些问题研究，采取针对性的解决措施，大大提高了流量测量的准确性，从而保证了电厂的仪控设备安全及可靠运行，取得了巨大的经济效益和社会效益。同时，流量的精确测量，一方面可以为操作员提供可靠的工艺参数指示，减少系统误动作；另一方面可以提供电站运行的持续续航能力，减少人力、设备的投资，取得了巨大的经济效益。同时上述改进措施也可以用于其他同类型流量测量仪表的修正和改良，可以做到良好实践，也取得了巨大的社会效益。